Молекулярная физика изучает свойства вещества, обусловленные его молекулярным строением, характером движения молекул и силами, действующими между ними. В основе молекулярной физики лежит молекулярно-кинетическая теория строения вещества.

Тепловое движение - хаотическое движение большого числа мельчайших частиц – атомов и молекул.

Термодинамика исследует условия превращения энергии из одного вида в другой и характеризует их с количественной стороны

Основные положения молекулярно-кинетической теории:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов и молекул. Молекула – это наименьшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекулы, образующие данное вещество, одинаковы. Молекулы состоят из атомов. Атом – это наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Атом, в свою очередь, состоит из сравнительно тяжелого положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Число электронов в оболочке равно заряду атома и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Ядра различных атомов отличаются одно от другого, в то же время как электроны – одинаковы.

Элементарные частицы, образующие атом, обладают особыми, так называемыми квантовыми свойствами и подчиняются законам квантовой механики. Атомы в различных сочетаниях входят в состав молекул разных веществ.

2. Между молекулами одновременно действуют как силы взаимного притяжения, так и силы отталкивания. Равновесие сил отталкивания и притяжения наступает при минимуме потенциальной энергии.

3. Молекулы, образующие тела, находятся в состоянии беспорядочного непрерывного движения (осцилляций). Скорость движения молекул тем больше, чем выше температура тела. Температура – мера средней кинетической энергии молекул тела. Скорость движения молекул тела, определяющих кинетическую энергию, определяет тепловое состояние тела, величину его внутренней энергии. Поэтому хаотическое движение молекул называют тепловым.

Соотношение между средними значениями кинетической и потенциальной энергиями вещества определяет одно из агрегатных состояний:

- газообразное;

- жидкое;

- твердое.

Атомной массой (А) химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С.

Молекулярной массой (М) вещества называется отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома ¹²С.

Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде ¹²С массой 0,012 кг.

Постоянная Авогадро - число атомов или молекул в 1 моле любого вещества:

N_A = 6,0210²³ моль^-1

Молярная масса () – это масса вещества, взятого в количестве одного моля.

Параметры состояния системы - состояние системы характеризующееся совокупностью физических величин: объем V, занимаемый некоторой массой вещества; давление р; температура Т.

Идеальный газ – это такая модель, в которой молекулы принимаются за материальные точки, не взаимодействующие между собой на расстоянии.

Состояние системы называется равновесным, если параметры, характеризующие ее состояние при отсутствии внешних воздействий, остаются постоянными сколь угодно долго. При несоблюдении этого условия состояние системы называется неравновесным.

Газовые законы

Закон Бойля-Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре его давление изменяется обратно пропорционально объему: . Процесс перехода газа из одного состояния в другое при постоянной температуре называется изотермическим.

Закон Гей-Люссака: для данной массы газа при неизменном давлении между его объемом и температурой существует линейная зависимость:

где V₀– объем газа при температуре T=0⁰K, - термический коэффициент объемного расширения: . Процесс изменения состояния газа при постоянном давлении называется изобарическим.

Закон Шарля: для данной массы газа при постоянном объеме между его давлением и температурой существует линейная зависимость:

где р₀ – давление при T=0⁰K, - термический коэффициент давления газа: . Процесс изменения состояния газа при постоянном его объеме называется изохорическим.

Температуру, равную 0⁰ K называют абсолютным нулем. Между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия (практической шкалой) существует соотношение: T = t⁰ C + 273,15

Закон Авогадро: при одинаковых температурах и давлениях моль любых газов занимают одинаковые объемы: V = 22,4 л = 22,410^-3 м³

Закон Дальтона: парциальным давлением газа, входящего в газовую смесь, называется давление, которое имел бы этот газ, если бы он один занимал весь объем, предоставленный смеси. Давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений входящих в нее газов

.

Уравнением Клайперона: произведение давления на объем данной массы газа, деленное на абсолютную температуру есть величина постоянная.

Уравнение Менделеева-Клапейрона: , где - число молей газа в объеме V, m – масса молекул газа,  - молярная масса.

Эффективным диаметром молекулы - минимальное расстояние , на которое могут приблизиться молекулы Эффективный диаметр молекул, изменяющаяся величина, зависящая от скорости столкновения молекул.

Основное уравнение кинетической теории газов: давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, находящихся в единице его объема.

, где - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.

Температура – мера средней кинетической энергии молекул:

Связь между давлением в сосуде и концентрацией молекул: p = nkT

Распределения молекул

Распределение молекул по высоте (барометрическая формула):

Закон изменения концентрации молекул с высотой:

;

где W_p – потенциальная энергия молекул на высоте h.

Для данного газа средняя квадратичная скорость молекул пропорциональна корню квадратному из термодинамической температуры и зависит только от нее:

Функция распределения молекул по скоростям:

Наиболее вероятной называется скорость, вблизи которой на единичный интервал скорости приходится наибольшее число молекул:

Среднее арифметическое значение скорости:

;

Явление переноса

Средней длиной свободного пробега называется среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями.

=

где средняя скорость , среднее число столкновений с другими молекулами , эффективный диаметр  молекулы

Высокий вакуум – это состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул газа велика по сравнению с характерным размером сосуда.

Характерным называется размер сосуда, определяющий характер рассматриваемого физического процесса в вакууме.

Средний вакуум – состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега сравнима с характерным размером сосуда.

Низкий вакуум – состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул мала по сравнению с характерным размером сосуда.

Уравнение переноса:

- градиент величины n₀

знак < - > показывает, что физическая величина переносится в направлении, противоположном градиенту, т.к. при выравнивании градиент убывает.

Диффузия - процесс переноса молекул в места с меньшей концентрацией. Переносимой физической характеристикой является концентрация молекул или масса.

Уравнение переноса для явления диффузии (закон Фика):

dM – масса газа переносимого за время dt через площадку dS, - градиент плотности газа, D – коэффициент диффузии (зависит от природы диффузионного газа, от условий, при которых газ находится, от среды):

Явление теплопроводности - перенос тепла от более нагретого слоя к менее нагретому. Переносимой физической характеристикой является энергия молекулы

Уравнение переноса для явления теплопроводности (уравнение Фурье):

где dQ – количество теплоты, переносимое путем теплопроводности,  - коэффициент теплопроводности: , где C_V – удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Закон Фурье: количество теплоты dQ, переносимое через площадку dS перпендикулярную направлению OX в котором убывает температура прямо пропорционально площади площадки ds, промежутку времени dt переноса и градиенту температуры .

Вязкость связана с внутренним трением слоев газа или жидкости. Это приводит к изменению скорости течения на границе слоев. Переносимой величиной является импульс молекулы.

Сила внутреннего трения:

 - коэффициент внутреннего трения (вязкость):

Закон Ньютона: сила внутреннего трения, возникающая в плоскости сопротивления двух скользящих относительно друг друга слоев газа прямо пропорциональна площади их соприкосновения ds и градиенту скорости .

Закон Стокса (сила сопротивления, которую испытывает, падающий в вязкой жидкости или в газе тело шарообразной формы (для ламинарного движения): F = 6   r V,

где  - коэффициент внутреннего трения жидкости или газа (динамическая вязкость); r – радиус шарика; V – его скорость.

Скорость V равномерного падения малого шарообразного тела радиусом r и плотностью  в вязкой жидкости с плотностью _ж и вязкостью :

.

Закон Пуазейля: объем жидкости или газа, протекающий за время t через капиллярную трубку радиусом r и длинной l, при ламинарном движении):

,

где  - динамическая вязкость жидкости (газа); p – разность давлений на концах трубки.

Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела

F_A = gV,

где g – ускорение свободного падения; V – объем вытесненной жидкости (газа);  - плотность жидкости (газа).